稀燃内燃机系统及具有其的车辆

技术领域

本发明涉及车辆技术领域，具体而言，涉及一种稀燃内燃机系统及具有其的车辆。

背景技术

在温室效应加剧、石油资源日益紧张的背景下，降低全球二氧化碳排放的呼声越来越高。降低汽车二氧化碳排放成为了汽车制造商必须考虑的技术命题。汽车发动机低碳化成为了重要的技术研发趋势。目前，最为成熟和普及的车用发动机为汽油机。汽油机的常见类型有进气道喷射汽油机和缸内直喷汽油机，这两种汽油机的燃油经济性均受到一些因素的制约，有进一步挖掘的空间。

传统的进气道喷射汽油机将燃油喷在进气道内，在大部分中低负荷工况为了保证三元催化器工作在高效区间，将过量空气系数λ控制在1左右；在大负荷工况为了满足动力输出的需求，将过量空气系数控制在功率混合气浓度0.88左右；在冷起动工况因燃油雾化不良，需要加浓混合气以使发动机顺利起动。因此进气道喷射汽油机具有两个主要缺点：1)较浓的混合气制约了发动机循环热效率的提高；2)在节气门开度较小的工况下泵气损失较大。

缸内直喷汽油机具有稀薄燃烧系统与当量比燃烧系统两种类型。采用稀薄燃烧系统的缸内直喷汽油机在部分负荷工况采用质调节，取消了节气门，大大降低了泵气损失，且空燃比可以控制在25到40或更大的范围内，因此与进气道喷射汽油机相比燃烧热效率明显提高。但稀薄燃烧系统需要喷油时刻、喷雾特性、点火时刻和气流运动的精确配合，否则易导致燃烧不稳定或产生失火。采用当量比燃烧系统的缸内直喷发动机一般也将大部分工况的过量空气系数控制在1左右，采用节气门控制负荷的大小，虽然避免了稀薄燃烧系统燃烧不稳定、易失火的问题，但仍存在泵气损失，燃油经济性也有所降低。

目前废气涡轮增压技术也是非常普及的车用发动机技术，大量试验与研究已证明废气涡轮增压技术可以提高发动机动力性与经济性，而且是一种有效且技术成熟的回收排气能量的技术手段。但传统的废气涡轮增压器通过废气泄压阀调节增压值、防止涡轮机超速，经过废气泄压阀的废气不用于推动涡轮而直接排入大气，因此这部分能量完全未经利用，造成了能量损失。

此外，随着能源危机的日益凸显，替代化石燃料的新能源越来越引起人们的关注。其中，氢气以单位质量低热值高、着火极限宽广、点火能量低、燃烧速度快、无二氧化碳排放、有害排放物少等理化特性成为了一种极富应用潜力的新型代用燃料。然而由于氢气大量制取和存储的技术能耗高、成本高，车载储氢系统成本高，以及加氢站等基础设施尚不完善，以纯氢作为单一能量来源的氢能汽车尚不具备大批量推广应用的条件。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种稀燃内燃机系统及具有其的车辆，以解决传统废气涡轮增压器能量利用率低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种稀燃内燃机系统，包括：内燃机控制器；开关磁阻电机，开关磁阻电机与内燃机控制器电性连接；压气机，压气机与开关磁阻电机连接；涡轮机，涡轮机与开关磁阻电机连接，且开关磁阻电机位于压气机和涡轮机之间；喷氢稀燃发动机，喷氢稀燃发动机通过节气门与压气机连通，涡轮机与喷氢稀燃发动机的进气歧管连通设置，喷氢稀燃发动机与内燃机控制器电性连接。

进一步地，压气机的转轴和涡轮机的转轴中的至少一个与开关磁阻电机的转子一体设置成型。

进一步地，稀燃内燃机系统还包括：汽油箱，汽油箱用于向喷氢稀燃发动机提供燃油；等离子发生器，等离子发生器与汽油箱连通设置；储气罐，储气罐的进口端与等离子发生器连通，储气罐的出口端与喷氢稀燃发动机连通，储气罐用于存储等离子发生器中产生的气体。

进一步地，稀燃内燃机系统还包括：气体压力传感器，气体压力传感器设置于储气罐内，气体压力传感器用于检测储气罐内气体的压力，气体压力传感器与内燃机控制器电性连接。

进一步地，稀燃内燃机系统还包括：交流发电机，交流发电机与喷氢稀燃发动机连接，交流发电机与内燃机控制器电性连接；电池，电池与内燃机控制器、等离子发生器、交流发电机、开关磁阻电机电性连接；其中，电池用于向内燃机控制器、等离子发生器和开关磁阻电机中的至少一个提供电能，和/或，开关磁阻电机、交流发电机向电池提供电能以对电池进行充电。

进一步地，稀燃内燃机系统还包括：进气压力传感器，进气压力传感器与内燃机控制器电性连接，进气压力传感器用于检测节气门与喷氢稀燃发动机之间进气歧管内的气体压力。

进一步地，进气歧管包括进气支管，进气支管内设置有多个通道，相邻的两个通道之间设置有进气翻板，进气翻板位于节气门与喷氢稀燃发动机之间，进气翻板具有初始位置和关闭位置，进气翻板位于初始位置时，与进气翻板相邻的通道均与喷氢稀燃发动机连通，进气翻板位于关闭位置时，进气翻板将其中一个通道进行关闭。

进一步地，多个通道包括下通道和上通道，进气翻板位于初始位置时，进气翻板位于下通道内。

进一步地，稀燃内燃机系统还包括：加速踏板，加速踏板与内燃机控制器电性连接，内燃机控制器根据加速踏板的开度信息，确定需求转矩。

根据本发明的另一方面，提供了一种车辆，包括稀燃内燃机系统，稀燃内燃机系统为上述的稀燃内燃机系统。

应用本发明的技术方案，稀燃内燃机系统包括内燃机控制器、开关磁阻电机、压气机、涡轮机和喷氢稀燃发动机，通过在压气机和涡轮机之间设置有开关磁阻电机，以替代传统涡轮增压器的废气旁通机构，通过内燃机控制器控制开关磁阻电机在不同工况作为电动机或发电机，当开关磁阻电机作为电动机使用时实现电辅助增压功能，当开关磁阻电机作为发电机使用时则实现涡轮发电的功能，不仅克服了传统涡轮增压器加速工况响应迟滞的问题，还进一步提高了尾气中高品位能量的利用率，解决了传统废气涡轮增压器能量利用率低的问题。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明的稀燃内燃机系统的实施例的结构示意图；

图2示出了根据本发明的喷氢稀燃发动机的实施例的结构示意图；

图3示出了根据本发明的进气翻板位于关闭位置时的实施例的结构示意图；

图4示出了根据本发明的进气翻板位于初始位置时的实施例的结构示意图；

图5示出了根据本发明的稀燃内燃机系统的全工况稀燃转矩模型控制策略的示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1、内燃机控制器；2、进气压力传感器；3、节气门；4、压气机；5、开关磁阻电机；6、电池；7、涡轮机；8、交流发电机；9、喷氢稀燃发动机；10、气体压力传感器；11、储气罐；12、等离子发生器；13、汽油箱；18、氢气管路；19、喷油器；20、氢气喷射器；21、火花塞；22、稀燃汽油机活塞；23、加速踏板；24、进气翻板；25、下通道；26、上通道；27、汽油管路。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

结合图1至图5所示，根据本申请的具体实施例，提供了一种稀燃内燃机系统。

具体地，如图1所示，稀燃内燃机系统包括：内燃机控制器1、开关磁阻电机5、压气机4、涡轮机7和喷氢稀燃发动机9。开关磁阻电机5与内燃机控制器1电性连接，压气机4与开关磁阻电机5连接，涡轮机7与开关磁阻电机5连接，且开关磁阻电机5位于压气机4和涡轮机7之间，喷氢稀燃发动机9通过节气门3与压气机4连通，涡轮机7与喷氢稀燃发动机9的进气歧管连通设置，喷氢稀燃发动机9与内燃机控制器1电性连接。

应用本实施例的技术方案，稀燃内燃机系统包括内燃机控制器1、开关磁阻电机5、压气机4、涡轮机7和喷氢稀燃发动机9，通过在压气机4和涡轮机7之间设置有开关磁阻电机5，以替代传统涡轮增压器的废气旁通机构，通过内燃机控制器1控制开关磁阻电机5在不同工况作为电动机或发电机，当开关磁阻电机5作为电动机使用时实现电辅助增压功能，当开关磁阻电机5作为发电机使用时则实现涡轮发电的功能，不仅克服了传统涡轮增压器加速工况响应迟滞的问题，还进一步提高了尾气中高品位能量的利用率，解决了传统废气涡轮增压器能量利用率低的问题。

图1中如标号14所示的形状表示机械连接，如标号15所示的形状表示进气或排气管路，如标号16所示的箭头表示电能流动方向，如标号17所示的箭头表示电气连接方向。进一步地，压气机4的转轴和涡轮机7的转轴中的至少一个与开关磁阻电机5的转子一体设置成型。

稀燃内燃机系统还包括汽油箱13、等离子发生器12和储气罐11，汽油箱13用于向喷氢稀燃发动机9提供燃油，等离子发生器12与汽油箱13连通设置，储气罐11的进口端与等离子发生器12连通，储气罐11的出口端与喷氢稀燃发动机9连通，储气罐11用于存储等离子发生器12中产生的气体。具体地，等离子发生器12中产生的气体为氢气。汽油箱13内的汽油通过氢气管路18输送到等离子发生器12作为制造氢气的原料，制造出的氢气储存在储气罐11内，通过氢气管路18以一定的速率供给喷氢稀燃发动机9。这样设置实现了在线制氢的技术效果，储气罐11内的氢气即可供给喷氢稀燃发动机9，提高了稀燃内燃机系统的可靠性。

稀燃内燃机系统还包括气体压力传感器10，气体压力传感器10设置于储气罐11内，气体压力传感器10用于检测储气罐11内气体的压力，气体压力传感器10与内燃机控制器1电性连接。这样设置在使用等离子发生器12制造氢气的过程中，当气体压力传感器10监测到储气罐11内的压力大于最大储气压力值即停止制氢，当储气罐11内氢气消耗至压力低于最小储气压力值即重新开始迅速制氢，从而能够提高储气罐11储存高压氢气的安全性。

稀燃内燃机系统还包括交流发电机8和电池6，交流发电机8与喷氢稀燃发动机9连接，交流发电机8与内燃机控制器1电性连接，电池6与内燃机控制器1、等离子发生器12、交流发电机8、开关磁阻电机5电性连接。其中，电池6用于向内燃机控制器1、等离子发生器12和开关磁阻电机5中的至少一个提供电能，或者，开关磁阻电机5、交流发电机8向电池6提供电能以对电池6进行充电。在本实施例中，通过内燃机控制器1联合控制系统中的开关磁阻电机5与交流发电机8，从而保证涡轮发电、电辅助增压功能的正常实现，保证了制氢过程中的电能供给以及电控系统的电能供给，避免了电池6产生过充或过放现象。

稀燃内燃机系统还包括进气压力传感器2，进气压力传感器2与内燃机控制器1电性连接，进气压力传感器2用于检测节气门3与喷氢稀燃发动机9之间进气歧管内的气体压力。在本实施例中，当进气压力传感器2监测到气体压力超出目标阈值时，即增压值过大时，内燃机控制器1控制开关磁阻电机5作为发电机进行工作，这样设置提高了稀燃内燃机系统的可靠性。

进气歧管包括进气支管，进气支管内设置有多个通道，相邻的两个通道之间设置有进气翻板24，进气翻板24位于节气门3与喷氢稀燃发动机9之间，进气翻板24具有初始位置和关闭位置，进气翻板24位于初始位置时，与进气翻板24相邻的通道均与喷氢稀燃发动机9连通，进气翻板24位于关闭位置时，进气翻板24将其中一个通道进行关闭。在本实施例中，通过内燃机控制器1控制进气翻板24处于初始位置或关闭位置，以配合不同工况的气流运动。

多个通道包括下通道25和上通道26，进气翻板24位于初始位置时，进气翻板24位于下通道25内。如图4为进气翻板24位于初始位置时的结构示意图，当喷氢稀燃发动机9处于大负荷工况时，进气翻板24将进气歧管的下通道25打开，使得进气道流通面积达到最大，保证喷氢稀燃发动机9在大负荷工况下进气更充分。

如图3所示为进气翻板24位于关闭位置时的结构示意图，当发动机处于负荷较小、进气量较小的工况时，进气翻板24将进气歧管的下通道25闭合，气流全部通过进气歧管的上通道26进入喷氢稀燃发动机9的气缸，从而气流速度被加快、气流运动被加强，有利于局部富氢混合气的形成。

如图2所示为根据本申请的喷氢稀燃发动机9的剖视结构示意图，喷油器19安装在进气道，氢气喷射器20安装在燃烧室侧面，火花塞21安装在燃烧室中央。稀燃汽油机活塞22顶部有凹坑，与进气道形状以及进气翻板24相配合，在气缸内产生稳定的进气涡流。同时控制氢气喷射器20在压缩行程末端向缸内喷射定量的氢气，氢气在涡流运动的作用下形成分层混合气，火花塞21周围氢气浓度较大，远离火花塞21的位置浓度较低，从而保证氢气可靠点火从而引燃缸内稀薄的汽油可燃混合气。

稀燃内燃机系统还包括加速踏板23，加速踏板23与内燃机控制器1电性连接，内燃机控制器1根据加速踏板23的开度信息，确定需求转矩。在本实施例中，根据需求转矩的大小将稀燃内燃机系统的运行工况分为分层稀燃模式和均质稀燃模式。如图5所示为根据本申请的稀燃内燃机系统的全工况稀燃转矩模型控制策略的示意图。当转矩需求小于某定值时采用分层稀燃模式，节气门3处于全开位置以减小泵气损失，过量空气系数λ保持在一个较大的定值，通过调节增压值来调节发动机的负荷。当转矩需求大于某定值，发动机进入分层稀燃模式，为了保证发动机的动力性需要降低过量空气系数λ以加浓混合气，增压值稳定在最大值，通过调节节气门3开度的大小来控制发动机负荷。

上述实施例中的稀燃内燃机系统还可以应用于车辆技术领域，即根据本申请的具体实施例，提供了一种车辆，包括稀燃内燃机系统，稀燃内燃机系统为上述实施例中的稀燃内燃机系统。

应用本实施例的技术方案，稀燃内燃机系统包括内燃机控制器1、开关磁阻电机5、压气机4、涡轮机7和喷氢稀燃发动机9，通过在压气机4和涡轮机7之间设置有开关磁阻电机5，以替代传统涡轮增压器的废气旁通机构，通过内燃机控制器1控制开关磁阻电机5在不同工况作为电动机或发电机，当开关磁阻电机5作为电动机使用时实现电辅助增压功能，当开关磁阻电机5作为发电机使用时则实现涡轮发电的功能，不仅克服了传统涡轮增压器加速工况响应迟滞的问题，还进一步提高了尾气中高品位能量的利用率，解决了传统废气涡轮增压器能量利用率低的问题。

在本申请的一个示例性实施例中，气体压力传感器10、进气压力传感器2、加速踏板23以及喷氢稀燃发动机9上所安装的传感器(包括曲轴转速传感器、凸轮轴相位传感器、水温传感器等)通过电线与内燃机控制器1相连，内燃机控制器1通过信号线与开关磁阻电机5、交流发电机8、等离子发生器12、安装于喷氢稀燃发动机9的喷油器19和氢气喷射器20相连，并产生控制信号以控制它们的工作过程。

在本申请的另一个示例性实施例中，在加速工况时，发动机增压值需要迅速跟随需求转矩的增长而增长，当内燃机控制器1从加速踏板23接收到加速指令，为了克服增压器叶轮转动惯量造成的涡轮迟滞，内燃机控制器1控制开关磁阻电机5进入电动机工作模式，电池6为开关磁阻电机5提供电能，电能全部转换为开关磁阻电机5的机械能，以带动涡轮轴加速转动，从而使压气机4流量迅速增加，增压值也随之增加。当发动机处于稳态工况时，内燃机控制器1对增压值进行闭环控制，当进气压力传感器2监测到进气压力大于目标进气压力，即增压值过大时，内燃机控制器1控制开关磁阻电机5作为发电机进行工作，即将开关磁阻电机5的机械能转换为电能储存到电池6中，其发电工况产生的制动转矩作用在涡轮轴上就可以降低涡轮轴转速，从而降低压气机4流量，使得进气压力下降。当实际进气压力低于目标进气压力时减小开关磁阻电机5的发电强度，即减小作用在涡轮轴上的制动转矩，使得压气机4转速有所回升、进气压力随之升高。

在本申请的另一个示例性实施例中，通过汽油箱13、汽油管路27和喷油器19实现稀燃内燃机系统的汽油供给，通过等离子发生器12、储气罐11、气体压力传感器10和氢气喷射器20实现稀燃内燃机系统的氢气供给。其中，采用进气歧管多点电喷的方式向内燃机供给汽油，汽油作为主要燃料，采用缸内直喷的方式向缸内供给氢气，氢气作为辅助燃料。汽油储存在汽油箱13中，经过汽油管路27最后由喷油器19喷射到进气歧管的上通道26，形成较稀的汽油混合气进入到喷氢稀燃发动机9的气缸内。汽油箱13内的汽油通过氢气管路18输送到等离子发生器12制造出氢气，储存在储气罐11内，再通过氢气管路18以一定的速率供给喷氢稀燃发动机9，最后由氢气喷射器20喷射到气缸内，通过控制喷油时刻与进气翻板24使燃烧室内局部富氢，从而迅速引燃较稀的汽油混合气。

本申请的稀燃内燃机系统使用等离子发生器12来制造氢气，将氢气储存在储气罐11内，然后以一定的速率与策略供给到喷氢稀燃发动机9的气缸内。等离子发生器12的工作由内燃机控制器1进行控制，在稀燃内燃机系统运行过程中等离子发生器12以大于最大氢气消耗速率的某一恒定速率制取氢气，制氢过程中所需电能来源于开关磁阻电机5和交流发电机8所产生的储存在电池6中的电能。本申请的稀燃内燃机系统可以在线制氢，解决了加氢站等基础措施不完善引起的加氢站加氢不便的问题。此外，该稀燃内燃机系统在部分工况采用较大节气门开度，将过量空气系数稳定在一个较高值，采用不同增压值来实现发动机负荷的调节，这样一方面可以通过稀燃来提高理论循环效率，另一方面也减小了节气门3造成的泵气损失、提高了机械效率。在大负荷工况下降低过量空气系数，采用恒定的增压值，通过节气门开度来调节负荷，则能够保证整车的动力需求。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1)采用局部富氢的速燃技术可以提高传统稀薄燃烧方式的燃烧稳定性与着火可靠性，且氢气燃烧速度快的特点使得缸内燃烧速度更快，放热过程更接近于上止点，可以提高燃烧热效率，从而达到更低的燃油消耗率。也可以利用氢气易于着火的特性，改善冷起动工况下汽油雾化不良、混合气形成条件恶劣所造成的起动困难、油耗高、排放高的情况。

2)在压气机4和涡轮机7之间整合开关磁阻电机5，可以在实现进气增压的基础上，实现电辅助增压和涡轮发电的功能。电辅助增压的功能可以提高增压器的瞬态响应性。涡轮发电功能可以替代传统涡轮增压器上的泄压机构和电控增压系统，当实际进气压力高于目标进气压力时，即利用开关磁阻电机5发电工况时产生的制动扭矩来降低涡轮转速，从而降低增压度，并且通过涡轮发电功能进一步提高了废气涡轮增压器对排气的利用率，实现了废气能量回收、提高喷氢稀燃发动机9的工作效率的技术效果，以及达到了降低整车燃料消耗来降低碳排放的目的。

3)采用全工况稀燃转矩控制模型有如下优点：在中小负荷工况时保持节气门3在较大开度，有利于提高涡轮增压器的工作效率，避免了传统汽油机在此工况下的泵气损失；采用过量空气系数较大的混合气可以有效提高喷氢稀燃发动机9的燃油经济性，同时燃烧更充分，CO、HC排放有所减少，也可以降低燃烧温度从而减少NOx排放的产生。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。